6NO FO Amplificadores Ópticos

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  • Amplificadores pticos

  • Amplificadores pticosCuando una seal se propaga por la fibra ptica se necesita emplear regeneradorespara amplificar la seal debido a los efectos de la atenuacin y la dispersin, as como de la longitud mxima permitida para la fibra entre transmisor y receptor, que no alcanza para cubrir todo la distancia del enlace. Al principio se empleaban repetidores electrnicos, los cuales realizaban conversin de la seal ptica al elctrica, para amplificarla y resincronizarla, recuperando su forma y realizar la conversin de la seal elctrica a ptica. Atendiendo al procesado que se efecta sobre una seal, los regeneradores se clasifican en tres tipos, tal como se muestra:

  • Amplificadores pticosEstos dispositivos generan una rplica de la seal de entrada pero con mayor nivel de potencia, operando completamente en el dominio ptico. Adems pueden emplearse en otros procesos como la conmutacin, la desmultiplexacin, o bien en la conversin de longitud de onda, aprovechando su comportamiento no lineal.

  • Estos amplificadores necesitan de un bombeo externo con un lser de onda continua a una frecuencia ptica ligeramente superior a la que amplifican. Tpicamente, las longitudes de onda de bombeo son 980 nm o 1480 nm y para obtener los mejores resultados en cuanto a ruido se refiere, debe realizarse en la misma direccin que la seal.

  • VentajasFuncionamiento independiente del tipo de modulacin de la seal.Tiene un amplio ancho de banda, por lo que amplifica varias longitudes de onda simultneamente.Mayor simplicidad y por tanto menor probabilidad de fallos y menor coste que los regeneradores.Permiten emplear reflectmetros pticos para el testeo y supervisin de las lneas de fibra ptica.Pueden ser integrados. DesventajasIntroducen un ruido adicional que es amplificado junto con la seal.Al no regenerar la seal se produce un efecto acumulativo de la dispersin.Su ancho de banda es finito por lo que limita el nmero de canales en los sistemas WDM.Su ganancia no es uniforme en todo el rango de amplificacin, por lo que debe ser ecualizada.

    Ventajas / desventajas

  • La amplificacin se realiza mediante el proceso de emisinestimulada. Su existencia fue propuesta por Albert Einstein en 1917.

  • Proceso de estimulacinEn la figura se muestra el principio del proceso de emisin estimulada. En l tenemos la interaccin entre un fotn y un tomo que inicialmente se encuentra en su estado excitado. Como resultado de esta interaccin el tomo pasa a su estado base emitiendo en el proceso un fotn que tiene las mismas caractersticas de direccin y de fase que el fotn inicial.

  • FUNCIONAMIENTO

    El amplificador ptico es un sistema tal que al introducirle un flujo inicial de fotones Si nos proporciona en su salida un flujo final de fotones Sf mayor que el flujo inicial Si.

  • La condicin necesaria para tener amplificacin del flujo inicial de fotones Si es que el nmero de tomos excitados que se encuentra en la cavidad amplificadora sea mayor que el nmero de tomos que se encuentra en su estado base. La condicin anterior se conoce como condicin de inversin de poblacin y el problema central para la realizacin prctica de un amplificador ptico est en cmo lograr dicha inversin de poblacin.

  • Para lograr dicha inversin de poblacin es necesario algndispositivo que proporcione la energa que los tomos de la cavidadamplificadora requieren para pasar de su estado base a un estadoexcitado. Este dispositivo recibe el nombre de "sistema de bombeoy puede ser de varios tipos, aunque los ms usuales son de tipoptico o de tipo elctrico.

    La amplificacin se produce dentro de un rango de frecuencias quedependen del material, as como su estructura.

  • TIPOS DE AMPLIFICADORES PTICOS

  • Tipos de amplificadores pticos segn su aplicacin.

    Como amplificador de lnea en un enlace con fibra monomodo, como el que se muestra en la figura, se emplea para elevar el nivel de potencia de la seal y compensar as las prdidas sufridas por la propagacin de la seal. Frecuentemente se instalan varios amplificadores en cascada a lo largo de la lnea.

  • Como preamplificador front-end en un receptor, como muestra la figura b, su misin es amplificar la seal antes de ser detectada por el fotodetector para mejora as la relacin seal ruido.

  • Como amplificador de potencia situndose a continuacin de la fuente lser, se emplea para elevar el nivel de potencia de la seal e incrementar la distancia de transmisin. En la configuracin de la figura (c) su objetivo es compensar las prdidas debidas al modulador externo. En la configuracin de la figura (d) busca compensar las prdidas que sufre una seal al atravesar un divisor.

  • Tipos de amplificadoresLos dos principales tipos de amplificadores pticos son:los SOAs, Semiconductor Optical Amplifiers, y los DFAs,Doped-Fiber Amplifiers.

    En los SOA la zona activa esta construida con aleaciones de elementos semiconductores como el fsforo, el indio, el galio y el arsnico.

    En los DFA es un ncleo de fibra ptica dopada con iones de tierras raras como el Erbio (Er), el Praseodimio (Pr), el Iterbio (Yb) o el Neodimio (Nd).

  • Comparacin entre amplificadores El amplificador ptico de semiconductor suele ser de pequeo tamao y el bombeo se implementa de forma elctrica. Podra ser menos caro que un EDFA y puede ser integrado con otros dispositivos (lseres, moduladores...).

    Sin embargo, en la actualidad, las prestaciones no son tan buenas como las que presentan los EDFAs. Los SOAs presentan mayor factor de ruido, menos ganancia, son sensibles a la polarizacin, son muy no lineales cuando se operan a elevadas velocidades

  • Comparacin entre amplificadores

  • EDFA, Erbium Doped Fiber AmplifierCaractersticas Generales:

    Estn basados en fibras dopadas con tierras raras: que presenta ganancia en la regin de tercera ventana. (EDFA)y (PDFA) con ganancia en 2 ventana.

    Su gran ventaja es que son dispositivos todo-fibra, eliminndose los problemas de los SOA: no hay que alinear fibras, no dependen de la polarizacin, no existe cruce de canales.

  • Ganancia es independiente de la tasa Digital

    Ancho de banda amplio 1525 1565 nm

    Alta ganancia y eficiencia cuntica

    Bajo ruido y diafona

    Alto nivel de potencia de saturacin

    Independiente de la polarizacin

  • En 3 y 4 ventana se usan amplificadores que tienen fibra ptica dopada con erbio (metal usado en algunas aleaciones) llamados EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)

  • Las dos longitudes de onda de bombeo ms adecuadas son 1480nm (mediante un diodo lser de InGaAsP) y 980nm (mediante un diodo lser de InGaAs).

  • Ganancia de un EDFA en 3 ventanaRejilla ITU-T (nm) Ganancia (dB) Perfil de ganancia EDFA Lambdas individuales 30El bombeo a 1480nm supone un amplificador ms ruidoso pero ms inmune a la saturacin de ganancia. Mientras que el bombeo a 980nm proporciona un amplificador con prestaciones de ruido excelentes pero es ms proclive a la saturacin de ganancia. En ambos casos es posible obtener ganancias entre 30 y 50 dB.

  • Configuraciones de bombeo

    Los elementos bsicos para implementar un EDFA son:

    El medio activo donde se produce la inversin de poblacin. Formado por un tramo de fibra ptica de Si0 2 con el ncleo dopado con iones de erbio. La fuente de bombeo ptico a 1480 o 980nm, formada por un lser semiconductor.

  • Configuraciones de un EDFA

  • Ganancia de un EDFA : La siguiente figura presenta la ganancia de un EDFA en funcin de la longitud de onda para diferentes valores de potencia de entrada, con una seal de bombeo a 1480nm.Principal inconveniente: slo opera en tercera ventana, aunque existen dispositivos similares dopados con otros elementos que pueden operar en otra ventana. Adems su ganancia no es uniforme para todas las longitudes de onda, aunque esto se solventa trabajando cerca de su saturacin, pues la curva de ganancia es ms plana.

  • Amplificadores pticos de Semiconductor Caractersticas Generales:Estn basados en estructuras de semiconductor como las de los diodos lser, pero en donde se ha eliminado el resonador. Tienen problemas de dependencia de la polarizacin, de cruce de canales (crosstalk), y de dificultad de encapsulado.Pueden funcionar en segunda ventana.

  • Principio de Funcionamiento Estn basados en dobles heteroestructuras con los mismos materiales con los que se construyen los diodos lser, y el principio de funcionamiento es el mismo: se inyectan portadores y se potencia la emisin estimulada esperando a que cuando llegue la seal por la fibra de entrada se generen nuevos fotones y por tanto se amplifique.

  • Caractersticas GeneralesSegn como se evite esta oscilacin se tienen tres subtipos:Amplificadores de enganche por inyeccin: Son los menos empleados y consisten en lseres de semiconductor polarizados por encima del umbral que se emplea para amplificar una seal ptica de entrada. Amplificador Fabry-Perot (FP). Alto rizado de la ganancia por resonanciaAncho de banda estrecho 5GHzSensible a las variaciones de temperatura, corriente y polarizacin de la sealFiltrado de ruido inherente

    Amplificador de onda viajera (TWSLA, Travelling Wave SLA ) . En el se eliminan las reflectividades de los espejos de salida de la cavidad, evitando as la realimentacin de la seal, por lo que la amplificacin se produce por el paso de la seal un sola vez por el dispositivo.

  • Estructura del Amplificador SemiconductorSu estructura consiste en una unin pn polarizada en directa con los extremos de la zona activa recubiertos con un material antirreflectante, como se muestra en la siguiente figura. Estructura de un SOA de onda viajera, en la izquierda el medio activo